Фотоелектричен ефект

Фотоелектричният ефект се описва естествено с фотони. Всеки фотон има енергия E=hf и електрон може да напусне повърхността само ако енергията на един фотон е поне равна на работата на отделяне на материала.

Първо прагът, после интензитетът

Енергийният баланс е hf=φ+Kmax. Ако hf<φ, електрони не се отделят дори при силно увеличен интензитет. Над прага излишната енергия става кинетична енергия.

По-големият интензитет при същата честота над прага увеличава броя фотони и обикновено фототока, но не увеличава Kmax на отделния електрон.

Изследване на прага

Първо прагът, после интензитетътhfφKmaxhf = φ + Kmax
Първо прагът, после интензитетът — Енергийният баланс е hf=φ+Kmax . Ако hf<φ, електрони не се отделят дори при силно увеличен интензитет. Над прага излишната енергия става кинетична енергия.

Спирачното напрежение измерва максималната енергия

Противоположно електрично поле забавя фотоелектроните. Когато дори най-бързите са спрени, eVₛ=Kmax.

Така честотата определя спирачното напрежение, а интензитетът основно броя на отделените електрони.

Експериментът дава линейна зависимост от честотата

Kmax расте линейно с f и става нула при материално специфична прагова честота. Наклонът е свързан с константата на Планк h.

Работата на отделяне зависи от материала и състоянието на повърхността и не е универсална константа.

Експериментът дава линейна зависимост от честотатапроменливаотговорeVₛ = Kmaxфизична зависимост
Експериментът дава линейна зависимост от честотата — Kmax расте линейно с f и става нула при материално специфична прагова честота. Наклонът е свързан с константата на Планк h.

Честота и интензитет са различни величини

c=fλ свързва честотата с дължината на вълната. По-къса λ означава по-енергиен фотон, но силната светлина не означава непременно по-енергийни фотони.

Интензивна червена светлина може да е под прага, а слаба ултравиолетова светлина да отделя електрони — ключова особеност на ефекта.

Решени примери

1. Прагова дължина

φ=2,5 eV.

Решение

λ₀≈496 nm.

2. Кинетична енергия

hf=4,2 eV, φ=2,0 eV.

Решение

Kmax=2,2 eV.

3. Спирачно напрежение

Kmax=1,6 eV.

Решение

Vₛ=1,6 V.

При реална повърхност примеси, кристална структура и адсорбирани слоеве могат да променят работата на отделяне, а електроните имат разпределение на енергиите. Въпреки това прагът, hf=φ+Kmax и спирачното напрежение запазват основното енергийно съдържание и ясно разделят ролята на честотата от ролята на интензитета.

Експерименталното наблюдение трябва да се отличава от идеализирания модел. Честотата, дължината на вълната, температурата, състоянието на повърхността и отговорът на детектора могат да влияят на измерения сигнал, докато основните енергийни връзки определят какво е възможно. Особено важно е да се различават енергията на един фотон и броят фотони: висок интензитет не означава автоматично по-голямо hf. Също така спектралният максимум не е целият спектър, а прагът не означава, че всички микроскопични събития са еднакви. При числен анализ единиците се проверяват преди заместване и преходите между eV, джаули, честота и дължина на вълната се правят последователно. Резултатът трябва да съвпада с физичните граници: липса на емисия под прага, по-къса максимална дължина при по-висока температура и запазване на енергията във фотонния процес.